Gase und Dämpfe. Grundpraktikum II. Grundpraktikum II Gase und Dämpfe 1/5. Übungsdatum: Abgabetermin:

Transkript

1 rundraktikum II ase und Dämfe /5 Übungsdatum: Abgabetermin: rundraktikum II ase und Dämfe abath erhild Matr. Nr Mittendorfer Stehan Matr. Nr

2 rundraktikum II ase und Dämfe 2/5 Bestimmung des Sannungskoeffizienten Das asthermometer dient in unserem Fall zur Ermittlung des Sannungskoeffizienten von Luft, die als ideales as angesehen wird. Beim asthermometer wird eine Temeraturmessung auf eine Druckmessung zurückgeführt. Es besteht aus einem Reziienten, welcher über eine Kaillare B mit dem Quecksilberthermometer zwei beweglichen Schenkeln verbunden ist. Im linken Schenkel befindet sich ein kleiner Metalldorn, dessen Sitze als Nullmarke für den linken Quecksilbermeniskus dient. Abgelesen werden an einer Siegelskala h r und h, woraus die Höhendifferenz gebildet wird. Um den Sannungskoeffizienten zu bestimmen, wird der Reziient zunächst in ein Eisbad und dann in ein Bad aus siedendem Wasser getaucht. Abgelesen wird dabei jeweils der Höhenunterschied der Quecksilbersäule. Der gesamte Luftdruck ergibt sich dann aus dem Druck, der aus dem Höhenunterschied berechnet werden kann, sowie dem barometrischen Luftdruck b. Als Einheit wird hier Torr verwendet. Das hat den Vorteil, dass der Höhenunterschied, der ja die Einheit mm Quecksilbersäule hat, direkt als Druck hergenommen werden kann. Die Einheit des Luftdruckes kann am Labormessgerät ebenfalls in Torr abgelesen werden. Zuerst wurde der barometrische Luftdruck im Praktikumsraum bestimmt. Das Heberbarometer lieferte uns folgenden Wert für den Luftdruck: b = 733 Torr Die Einheit Torr stellt sich hier als sehr raktisch heraus, da beim Ablesen des Druckes am asthermometer die Einheit mm Quecksilbersäule abgenommen wird, was ja identisch mit der Einheit Torr ist. Folgende Tabelle zeigt die gemessenen Werte des Druckes in Torr (mm Hg-Säule) sowie die errechneten esamtdrücke unter Berücksichtigung des Luftdruckes: h l =8,3 cm h r =78,2 cm h = -3 mmhg = 72 Torr h l =8,45 cm h r =2,8 cm h S = 23,5 mmhg S = 946,5 Torr Die Siedetemeratur des Wassers liegt laut Walcher Tab. A3. Seite 399 für einen barometrischen Druck von 733 Torr bei ca. 99 C. ϑ S = 99 C Daraus lässt sich nun der Sannungskoeffizient bestimmen: Zwischen den Drücken, die sich beim Eisbad bzw. beim Bad aus siedendem Wasser einstellen, besteht folgender Zusammenhang: S = ( + αϑs ) daraus lässt sich nun unsere gewünschte röße berechnen: α = S ϑ α =,93 K - Für ideale ase gilt: = =, ,5 α K - S Die Abweichung zwischen den beiden Werten beträgt ÜBER 4% Obige Formel gilt allerdings nur dann, wenn sich das gesamte Luftvolumen auf gleicher Temeratur befindet. Dies ist bei uns allerdings nicht der Fall, da sich in der Kaillare B und im Bereich des Dorns Luft mit Zimmertemeratur befindet. Tz = 296,8 K Der thermische Ausdehnungskoeffizient beträgt für AR-las: γ = K - Laut Werkstattzeichnung ergeben sich für die beiden Volumina: V = 5786 mm³ v = 3447,64 mm³

3 rundraktikum II ase und Dämfe 3/5 Zu beachten ist weiters, dass sich das las des asthermometers abhängig von der Temeratur ausdehnt. Mit Hilfe des Ansatzes, dass die eingeschlossene Stoffmenge konstant bleibt, erhält man für den Sannungskoeffizienten α in besserer Näherung: α = α ϑb S γ v V T z S S v + γ + ϑs V Tz Sannungskoeffizient von Luft Siedetemeratur des Wassers, abhängig vom barometrischen Druck Druck, der sich beim Abkühlen auf C einstellt Druck, der sich beim Erwärmen auf Siedetemeratur einstellt thermischer Ausdehnungskoeffizient des lasgefäßes Volumen des schädlichen Raumes, totes Volumen Volumen des Reziienten (A) thermodynamische Zimmertemeratur Die thermodynamische Zimmertemeratur wird bestimmt, indem man zuerst den Druck bei Zimmertemeratur misst und mit Hilfe des Druckes, der sich beim Eisbad einstellt, unter Anwendung des asgesetzes die Temeratur berechnet. Es gilt folgender Zusammenhang: Z TZ = 273,5K Bestimmung des Adiabatenexonenten Mit Hilfe dieses Versuches lässt sich der Adiabatenexonent bestimmen. Man verwendet ein efäß mit angeschlossenem U-Manometer und Dreiwegehahn, mit dem der Reziient abgeserrt oder mit einem Blasebalg verbunden werden kann. Eine Verbindung mit der Außenluft wird bei unserem Versuch dadurch erreicht, dass ein ummistofen aus dem Tubus gezogen wird. Das U-Manometer ist mit Silicon- oder Paraffinöl gefüllt. Nachstehendes Bild zeigt den Versuchsaufbau: Das Verfahren arbeitet in 4 Phasen:. Mit Hilfe des Blasebalges wird ein Überdruck von ca. mm Ölsäule erzeugt. Seien nun b der Barometerdruck und T die thermodynamische Anfangstemeratur (Zimmertemeratur). Die Zustandsgrößen der in A eingeschlossenen Luftmenge sind: = b + T = T 2. Man verbindet durch Herausziehen des ummistofens den Reziienten mit der Außenluft. Hierdurch erfolgt Druckausgleich. Das as exandiert und verrichtet dabei Arbeit gegen den äußeren atmoshärischen Druck. Diese Arbeit wird auf Kosten der inneren Energie des ases A verrichtet, die Temeratur des ases sinkt. Die Zustandsgrößen der in. betrachteten asmenge sind nunmehr: + V = b T T T 3. Sofort nach erfolgtem Druckausgleich serrt man das efäß wieder ab. Zustandsgrößen: = = b T = T T 4. Durch Wärmeaustausch mit der Umgebung nimmt die Luft in A im Laufe von etwa Sekunden wieder ihre Anfangstemeratur an. Diese Zustandsänderung erfolgt isochor. Der Druck steigt dabei um 2 an, sodass sich folgender Zustand einstellt = b + 2 T = T Wegen der Schnelligkeit der Zustandsänderung auf 2 kann angenommen werden, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, der Prozess kann also als adiabatisch angesehen werden. Die ersten beiden Zustände sind miteinander durch die Poissonschen Zustandsgleichungen verknüft:

4 rundraktikum II ase und Dämfe 4/5 χ χ V = oder V TV χ χ = TV Die Zustandsgrößen aus 3. und 4. Sind durch die Zustandsgleichungen idealer ase miteinander Verknüft: V = T V T Unter Berücksichtigung, dass V << V und << b ergibt sich als einfache Endformel: χ = 2 Unten stehende Tabelle zeigt die fünf durchgeführten Messreihen und die daraus errechneten Adiabatenexonenten: 2 χ 6 2, , ,3769 Der Mittelwert des Adiabatenexonenten beträgt,2997, die Standardabweichung,394. Der genaue Wert für dreiatomige ase beträgt,33. Da Luft aber keineswegs als ein, zwei- oder dreiatomiges as angesehen werden kann, ist die Abweichung durchaus vertretbar.

5 rundraktikum II ase und Dämfe 5/5 Bestimmung der Luftfeuchtigkeit Das Schleudersychrometer dient zur Messung der Luftfeuchtigkeit nach dem nachfolgenden Messrinzi: ein trockenes Thermometer misst die Umgebungstemeratur, ein weiters Thermometer ist mit einem Doch umgeben, welcher mit destilliertem Wasser befeuchtet wird. Beim Rotieren des Schleudersychrometers verdunstet ein Teil des Wassers im Docht und kühlt dabei das entsrechende Thermometer bis zum Tauunkt ab. Der Tauunkt ist jene Temeratur, bei der die maximale absolute Luftfeuchtigkeit erreicht wird. Bei Temeraturen über dem Tauunkt ist der Damf ungesättigt, bei Temeraturen darunter ist der Damf übersättigt und kondensiert. Am Tauunkt wird dem Docht genauso viel Feuchtigkeit entzogen wie aus der Umgebung zugeführt, die Temeratur bleibt daher stabil. Aus dieser Temeratur lässt sich im Prinzi die absolute Feuchte aus der Damfdruckkurve des Wassers bestimmen. Es gilt: H P 2 O = max Wird das Psychrometer mit mindestens 3 U/s gedreht, ist der thermische Verlust des Psychrometers berechenbar: b H O = Pmax A( t t ) 2 755Torr H2O P max aktueller Damfdruck des Wassers der bei gegebener Temeratur maximal mögliche Damfdruck Psychrometerkonstante Temeratur des trockenen Thermometers A t t Temeratur des feuchten Thermometers b Luftdruck Daraus lässt sich nun die aussagekräftige röße der relativen Luftfeuchtigkeit bestimmen: U = P H 2O max Folgende Messdaten wurden bei diesem Versuch aufgenommen: Messung im Labor: t = 23,6 C P max = 2,8 Torr t = 2,8 C Datum: Uhrzeit: 5:48 Messung im Freien: t = 5, C P max = 6,6 Torr t = 2,4 C Datum: Uhrzeit: 5:57 Der maximal mögliche Damfdruck bei der jeweiligen Temeratur wurde der Tabelle A3., Walcher Seite 399 entnommen. In der Tabelle auf der nächsten Seite sind nun die errechneten Werte aufgestellt. Die sehr hohe Luftfeuchtigkeit im Freien ist durchaus möglich, da es zum Zeitunkt der Messung nebelig war und es kurz darauf zum Regnen angefangen hat. Zur exakten Berechnung wurde für die Psychrometerkonstante ein Wert von,6623 Pa/K angenommen. Der Luftdruck wurde aus dem. Versuch übernommen. Aktueller Damfdruck relative Luftfeuchte Absolute Luftfeuchte Messung im Labor 5,96 Torr 27,34 % 5,8 g/m³ Messung im Freien 4,22 Torr 63,94 % 4,4 g/m³